具壓應(yīng)力之硅基板及其制造方法
【專利說明】具壓應(yīng)力之硅基板及其制造方法
[0001]【相關(guān)申請的交叉引用】
[0002]本申請要求于2014年6月25日提交的美國臨時專利申請62/016，973的優(yōu)先權(quán)。此臨時申請通過參考的形式合并到本申請中。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003]本發(fā)明是關(guān)于一種硅基板及其制造方法，尤指一種具壓應(yīng)力的硅基板及其制造方法。
【【背景技術(shù)】】
[0004]氮化物半導(dǎo)體例如用于創(chuàng)造新的固態(tài)照明、用于無線通信的高效放大器、具有空前的低損耗的先進的電力電子元件，大陣列的新高性能元件。
[0005]在半導(dǎo)體材料中，氮化鎵(GaN)已經(jīng)顯示出具有良好的導(dǎo)電性，導(dǎo)熱性和熱穩(wěn)定性。此外，由于其寬的能隙，氮化鎵能夠在綠色到紫色波長發(fā)射并且也適合作為全色發(fā)光元件。然而，用于GaN的外延成長的典型的基板，如硅基板分別具有晶格常數(shù)和熱膨脹系數(shù)的巨大差異，即17%和46%;導(dǎo)致了生產(chǎn)期間或之后的大的應(yīng)力。由于這些過量的拉伸應(yīng)力，異質(zhì)結(jié)構(gòu)的彎曲/翹曲或破裂可能會發(fā)生在GaN的外延薄膜成長完成后的冷卻過程中，而導(dǎo)致元件產(chǎn)量的降低。例如，圖1繪示現(xiàn)有在硅基板上的GaN外延成長所產(chǎn)生的一個異質(zhì)結(jié)構(gòu)10的剖面圖。如圖所示，由于在晶格常數(shù)和熱膨脹系數(shù)的差異，所形成的異質(zhì)結(jié)構(gòu)可表現(xiàn)出具有一凹主表面12的GaN層的彎曲/翹曲。采用藍寶石(氧化鋁)基板可能有相同的問題(16%的晶格錯配和34%的熱膨脹系數(shù)差異)，以及具有較高的成本。此外，碳化硅(SiC)也可以用作為基板(3.5%的晶格錯配和25%的熱膨脹系數(shù)差異)。然而，SiC的成本太高不敷一般商業(yè)目的使用。
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【發(fā)明內(nèi)容】
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[0006]在一方面，本文中公開的實施例涉及一種異質(zhì)結(jié)構(gòu)，包括:一基板，具有第一主表面、第二主表面、從所述第一主表面延伸入所述基板一距離的擴散層；以及外延層，設(shè)置于所述基板的所述第二主表面上。
[0007]在另一方面，本文中公開的實施例涉及一種制作異質(zhì)結(jié)構(gòu)的方法，所述方法包括:提供具有第一主表面及第二主表面的基板；以約1200度至1300度之間的溫度加熱存在P型或η型摻質(zhì)的所述基板，以形成從所述第一主表面延伸入所述基板一深度的一擴散層；于所述的第二主表面上沈積一外延層。
[0008]在另一方面，本文中公開的實施例涉及一種制作異質(zhì)結(jié)構(gòu)的方法，所述方法包括:提供具有第一主表面及第二主表面的基板；以1200度至1300度之間的溫度加熱存在P型或η型摻質(zhì)的所述基板，以形成由所述第一主表面及所述第二主表面延伸入所述基板一深度的擴散層，其中所述擴散層在所述基板的非擴散層的任一側(cè)。
[0009]本公開的其它方面和優(yōu)點從下面的描述和所附的權(quán)利要求書將為顯而易見?！尽靖綀D說明】】
[0010]圖1繪示現(xiàn)有在硅基板上的GaN外延成長所產(chǎn)生的一個異質(zhì)結(jié)構(gòu)的剖面圖；
[0011]圖2繪示根據(jù)本發(fā)明的一個或多個實施例的具有擴散層的基板的剖面圖；
[0012]圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個或多個實施例的異質(zhì)結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體裝置的剖面圖；
[0013]圖3A是根據(jù)本發(fā)明的一個或多個實施例的異質(zhì)結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體裝置的剖面圖；
[0014]圖4為根據(jù)本公開的一個或多個實施例表示在Si基板制造II1-V族化合物層的方法的具有剖面圖的流程圖；
[0015]圖5為根據(jù)本公開的一個或多個實施例表示在Si基板制造II1-V族化合物層的方法的具有剖面圖的流程圖；
[0016]圖6繪示根據(jù)本公開的一個或多個實施例的一個損傷層施加到基板之后的基板的剖面圖；
[0017]圖7繪示根據(jù)本公開的一個或多個實施例的一個保護層施加到基板之后的基板的剖面圖；
[0018]圖8繪示根據(jù)本發(fā)明的一個或多個實施例的具有損傷層、擴散層及保護層的基板的剖面圖；
[0019]圖9繪示的實驗數(shù)據(jù)示出了施加II1-V族層以形成異質(zhì)結(jié)構(gòu)之前的用于減輕基板的彎曲/弓起的傳統(tǒng)方法的電阻率結(jié)果；
[0020]圖10繪示根據(jù)本發(fā)明的一個或多個實施例的當擴散工藝施加到基板的實驗數(shù)據(jù)；
[0021]圖11是比較繪示在圖10和圖11的兩個例子的電阻率對深度作圖。
【【具體實施方式】】
[0022]以下各實施例的說明是參考附加的圖式，用以例示本發(fā)明可用以實施的特定實施例。
[0023]本發(fā)明的一個或多個實施例一般涉及半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)，其具有沈積/成長在基板的II1-V族化合物，例如GaN或AlN之外延層的半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)及其制作方法。一般而言，此公開的異質(zhì)結(jié)構(gòu)和方法可以使用硅(Si)，藍寶石(A1203)和碳化硅(SiC)作為基板。
[0024]傳統(tǒng)上，當外延層的材料為GaN(或其他的II1-V族化合物)時，不同的基板與外延層在晶格常數(shù)和熱膨脹系數(shù)的差異，針對不同基板分別是:對于硅基板(17%、46% );對于藍寶石基板(16%、34%)，以及對于SiC基板(3.5%、25%)。雖然SiC基板具有最小的晶格常數(shù)錯配和最小的熱膨脹系數(shù)，但它們也比其他的基板昂貴得多。由于基板與外延層之間的晶格常數(shù)和熱膨脹系數(shù)差異，如果外延層直接成長在一個不根據(jù)本公開調(diào)整的基板上，異質(zhì)結(jié)構(gòu)內(nèi)將產(chǎn)生應(yīng)力場。具體地，當在基板上成長外延層時，通過GaN外延層的晶格錯配以及熱膨脹系數(shù)的差異，所述基板變得有應(yīng)力產(chǎn)生。然后，當在GaN外延層隨著硅基板被完整成長和冷卻時，GaN外延層比在冷卻之前由于大的熱膨脹系數(shù)而對硅基板造成更大的拉伸應(yīng)力。因此，所述異質(zhì)結(jié)構(gòu)的硅基板的可能彎曲及/或破裂。如上所討論的，這些應(yīng)力場可導(dǎo)致芯片翹曲及/或破裂，使得處理困難并可能損害裝置的性能。
[0025]在一些實施例中，通過在硅基板與外延層之間設(shè)置一緩沖層，可防止所述異質(zhì)結(jié)構(gòu)彎曲/翹曲及/或破裂。因此，在一個或多個實施例中，具有粘彈性材料的緩沖層可結(jié)合使用，硅基板、藍寶石基板等。例如，用于這些基板和此公開的II1-V族化合物的合適的緩沖層可包括氮化鋁(AlN)。根據(jù)本公開的一個或多個實施例的緩沖層可以減少硅基板與外延層之間的晶格錯配所造成的應(yīng)力。但是，即使具有一個緩沖層以減小晶格及/或熱膨脹系數(shù)錯配，但應(yīng)力場可能太大而無法克服彎曲及/或破裂。另外，緩沖層在為了成長有良好質(zhì)量之外延層而必須具有良好的晶格結(jié)構(gòu)；因此，它仍然需要高溫晶體成長的處理，而這是復(fù)雜且昂貴的。在一些實施例中，本文所討論的基板在本文所公開的任何方法的應(yīng)用之前可以摻雜成P型或η型。公開于此的任何方法的應(yīng)用之前，所討論的基板的幾何形狀大致為直徑為約四英寸的圓形，厚度為約500微米至約1000微米。貫穿本公開所討論的基板/異質(zhì)結(jié)構(gòu)的“主表面”意指包括基板/異質(zhì)結(jié)構(gòu)的直徑或表面(即較長尺寸的表面)，而表面包圍基板/異質(zhì)結(jié)構(gòu)的厚度表面(即圓形的基板/異質(zhì)結(jié)構(gòu)的側(cè)邊緣)可以被稱為“二次表面”。在一些實施例中，本文公開的方法可以在相對低的成本上有利地生產(chǎn)具有實質(zhì)平坦的主表面的半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)。
[0026]如上所述，由于晶格常數(shù)錯配和熱膨脹系數(shù)的差異，II1-V族化合物的異質(zhì)結(jié)構(gòu)外延地施加到基板上和如果不進行處理，在由外延施加層引起的應(yīng)力下將趨向彎曲/弓起。換言的，所述異質(zhì)結(jié)構(gòu)的主表面變?yōu)閾碛兴鐾庋邮┘訉拥木哂邪紶畋砻娴穆晕⒈瓲?。在外延層沈積到所述基板之前，本公開內(nèi)容的一個或更多個實施例涉及在基板的主表面引起彎曲/弓起的方法。因此，當所述外延層隨后沈積在預(yù)彎曲/弓起的基板的所述凸狀主表面時，其合成的彎曲/弓起可以實質(zhì)上抵消先前在基板上所引起的彎曲/弓起，以便最終創(chuàng)建一個實質(zhì)上平坦的異質(zhì)結(jié)構(gòu)。
[0027]本公開的一個或多個實施例采用以下技術(shù)中的至少一個以在基板施加一個彎曲/低頭及/或減少由其形成在異質(zhì)結(jié)構(gòu)的彎曲/弓起:(I)在基板上創(chuàng)建一損傷層、(2)應(yīng)用摻質(zhì)在基板內(nèi)形成擴散層、以及(3)在基板施加保護層。在一些實施例中，可以使用所有三種技術(shù)的組合。在一個或多個實施例中，不同的技